单螺杆压缩机啮合副两相油膜润滑机理及型线优化研究

Single screw compressor belongs to a kind of fluid machinery, which is widely used in various fields, such as energy, petrochemical, construction, mining, metallurgy, refrigeration and etc. However, in practical industrial applications, star-wheels’ easily wearing out is always a resistance for the development of such a good theoretical performance machine. Aiming at this phenomenon, the proposer thinks the service life of the star-wheel can be improved by changing the lubrication state between the tooth flank and the groove surface. This project is based on the lubrication characteristics between the tooth and the groove. Two phase dynamic oil film pressure distribution calculation model will be built. Experiment study will be done on the two phase oil film pressure distribution with changing geometry gap and changing pressure boundary condition. On the basis of the oil film pressure distribution calculation model, multi-tooth coupling (multi-oil film) profile’s optimization method is also proposed, which can equitable distribute the tooth gap (oil film thickness) in order to keep the star wheel tooth working in a floating meshing state. The star wheel’s floating meshing will be studied through experiment, to prove the optimization method. This project can not only enrich the theory of two phase oil film, but also contribute to the basic profile design theory about turbo-worm drive, double screw compressor, gear and gear coupling machinery.

单螺杆压缩机属于流体机械的一种，在能源、石化、建筑、采矿、冶金、制冷等各行业有着广泛的应用。但实际工业应用中，星轮的易磨损问题一直阻碍着这种理论性能优良机型的发展。针对这一现象，申请人认为，可通过改善星轮齿面与螺槽表面之间的润滑状态来提高星轮使用寿命。本项目从星轮齿与螺槽之间的润滑特性出发，对这种变间隙几何形态、变压力边界条件的两相油膜压力分布进行试验研究，建立动态两相油膜压力分布计算模型。在油膜压力分布计算模型基础上，提出多齿耦合（多油膜）的星轮齿型线优化方法，通过该优化方法对星轮齿侧间隙（油膜厚度）进行合理分配，使星轮齿在啮合过程中处在浮动啮合状态，并开展星轮体浮动啮合实验研究，对优化方法进行验证。本项目的研究内容既能丰富两相油膜理论，亦可对涡轮-蜗杆传动、双螺杆压缩机、齿轮传动等多齿耦合机械的型线设计提供一定理论基础。

星轮齿面易磨损已成为制约单螺杆压缩机发展的瓶颈。为延长星轮齿寿命，本项目对单螺杆压缩机啮合副两相流体动力润滑特性进行研究。首先在单相润滑状态下，对星轮齿进行浮动特性、抗扰动特性和承载力特性实验研究，然后搭建了两相油膜压力测试试验台，对含气率、转子转速、入口压力、型面对油膜压力场的影响进行研究；对啮合副间隙内的油膜流场进行数值模拟；建立了多齿耦合油膜力矩计算模型；根据浮动啮合理论，提出了星轮型面润滑性能评价方法和改进方法，对一台压缩机啮合副型面进行了改进，对改进前后的型面对油膜力矩和星轮齿偏角的影响进行了对比分析。根据优化后的型面，加工出了星轮与螺杆转子，装入样机中进行可靠性实验。主要研究结果如下：星轮齿表面几何形状对星轮齿的自平衡特性、回弹时间和承载力大小都有很大影响。数值模拟结果表明，在啮合过程中，星轮齿侧受到的周向力部分由两相油膜承载力产生，部分为两相油气通过间隙时对星轮齿壁面的推力。另外，在各含气率下，星轮齿前后侧均出现低压区，并出现气穴现象。气穴现象会使星轮齿表面发生汽蚀，该现象也许是导致星轮齿面容易磨损的原因之一。含气率对啮合副间隙内的压力场和单齿周向力矩均有一定影响。啮合副间隙入口工质为纯油时，所得出的两相油膜力矩略大于入口工质为两相时。随着压缩腔压力的增大，该影响逐渐减小本项目开发出一套啮合副型面评价方法和改进方法，并提出，可用一个完整啮合周期上的“合理偏角范围”来判断型面是否需要优化以及是否优化完成。可靠性试验结果表明，2000小时的运转过程中压缩机排气量并未出现明显下降，说明正常工作过程中，星轮齿并未产生明显磨损。亦说明本项目的研究内容及优化方法有利于延长星轮齿的使用寿命。